工程力学08级本科论文模板.doc

钢板弯曲变形规律研究 院 系 名称 理 学 院 专 业 名 称 工程力学 学 生 姓 名 指 导 教 师 黑龙江科技学院 毕业论文任务书 学生姓名 任务下达日期 2011 年 11 月 23 日 论文开题日期 2012 年 3 月 15 日 论文开始日期 2012 年 2 月 28 日 中期检查日期 2012 年 5 月 9 日 论文完成日期 2012 年 月 日 一 论文题目 二 论文的主要内容 三 预期目标 指 导 教 师 院 系 主管领导 年 月 日 摘 要 在球形和圆柱形容器预制时 大多根据经验进行冲压和卷制 很少依据实 际变形规律进行系统研究 因此本文对钢板在发生弯曲变形时的规律进行理论 研究 为生产实际服务 主要对钢板的弯曲变形进行研究 分别是单曲率钢板 弯曲和多曲率钢板弯曲 对钢板单曲率弯曲进行研究 研究 18 块钢板的冷弯 包括不同的钢板厚度 不同的弯曲半径 不同的弯曲角度 测量最大表面应变 II 载荷 位移关系 弹性后效的角度 检测为预测最大表面应变和弹性后效角度 所选定的方程 将方程预测值与实验结果相比较 找出差异的原因 对钢板多曲率弯曲进行研究 通过对矩形板料双向弯曲收力和变形进行分 析 通过实际工件成形试验分析 为具体评估材料的可弯曲性 计算成形所需 的冲压力 设计模具 预报弯区和冲压后的回弹以提高产品的尺寸精度 确定 成形后工件内的残余应力 防止在成形过程中产生裂纹和缺陷以及预报和控制 翘曲的产生 关键词关键词 钢板 弯曲 变形规律 应力 Abstract In spherical and cylindrical containers of prefabricated mostly based on experience punching and rolling with little real basis for a systematic study of deformation this paper plate in the event of deformation of the theoretical research for the production of actual service Mainly on the plate deformation research which are single rate and multi curvature bending steel plate bending Single bending the steel to study study of 18 cold formed steel including the different thickness of the plate a different bend radius bending different perspective the largest measuring III surface strain load displacement elastic aftereffect point of view for the detection Forecast for maximum flexibility and after surface strain selected by the angle of the equation the equation predictive value compared with the experimental results to identify the cause of the discrepancy Bending the curvature of the plate more study by two way rectangular sheet metal bending to force and deformation analysis through practical tests forming part of the materials for specific assessment can be bent forming the necessary calculations pressure die design forecasting After stamping and bending areas to enhance the resilience of the size precision products determined after forming part of the residual stress prevent the process of forming cracks and flaws as well as forecasting and control the selection of warping Key words Plate Bending Deformation law Stress 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第 1 章 绪 论 1 1 1 研究的目的和意义 1 1 2 钢板弯曲冲压制造工艺简述 1 1 3 国内外研究状况 2 1 4 本文的主要研究内容 3 IV 第 2 章 塑性变形理论 4 2 1 塑性变形的屈服条件 4 2 1 1 Tresca 屈服条件 5 2 1 2 Mises 屈服条件 7 2 2 板料成形问题的求解方法 8 2 2 1 切取微体法 8 2 2 2 塑性材料力学法 10 2 3 本章小结 11 第 3 章 板料弯曲变形应力分析 12 3 1 弯曲的定义及变形过程 12 3 2 板料弯曲变形区的应力应变分析及弯矩的计算 14 3 2 1 宽板弯曲变形区的应力应变分析及弯矩的计算 16 3 2 2 窄板弯曲变形区的应力应变分析及弯矩的计算 25 3 3 最小弯曲半径 28 3 4 弯曲件的回弹 29 第 4 章 弯曲试验研究 34 4 1 单曲率钢板实验研究 34 4 1 1 最大表面应变 37 4 1 2 板的位移 39 4 2 钢板成形过程弹塑性研究 44 4 2 1 冲压圆板在均布弯矩作用下的弹塑性变形分析 45 4 2 2 高强钢材料变形模式及成行性能的影响因素 50 4 2 3 板料冲压后的回弹规律 51 4 3 本章小结 53 结论 54 致谢 55 参考文献 56 附录 1 58 附录 2 66 1 目 录英文翻译 2 第 1 章 绪 论 1 1 研究的目的和意义 目前 我国炼油和煤液化技术迅速发展 因此需要一大批特大压力容器设 备 这些大型的压力容器一方面对用材 设计 制造 检验 运输和安装提出 了新要求 设备大型化首先在保证达到安全的情况下要求强度高的材料 以尽 可能降低容器壁厚 达到减轻重量的目的 便于运输和安装 因此一大批新型 材料应运而生 高强度钢作为其中一种材料 具有强度大 耐腐蚀等特点 目 前是大型压力容器设备材料的主要发展方向 高强度钢板 含有 0 002 0 08 的碳 具有实质上为铁素体相和贝氏体相的二相组织的金属组 织 此铁素体相具有粒径 30nm 以下的析出物 屈服强度在 448MPa 以上 目前在作球型和圆柱型容器时制大多根据原有的经验进行冲压和卷制 然 而对于新型材料没有原始的经验 本文对钢板在发生弯曲变形时的规律进行系 统的研究 从而得出相应的数据 以便指导工程实际 1 2 钢板弯曲冲压制造工艺简述 钢板冲压制造工艺是在室温下对各种不同规格的金属板料施加压力 使之 发生塑性变形或分离 以获得所需形状的零件的一种加工方法 板料的弯曲基 本可分为两种 压弯和滚弯 1 压弯是在压力机上借助于压弯模使板料 棒料或管材等类型的坯料产生弯 曲变形的一种加工方法 当板料受外加弯矩作用发生弹性弯曲时 其主应力仅 存在于圆弧切向上 板料内侧受压应力 外侧受拉应力 处于两侧之间过渡区 的中性层 其切向应力为零 随外加弯矩的增大 板料金属同时从两侧由表及 里逐步达到屈服极限 最终整个断面进入塑性状态 沿直线弯板 有时会出现 翘曲 这是由于板料弯曲时靠近外侧纤维沿纵向受到拉伸 而靠近内侧的纤维 受到压缩 根据体积不变的前提条件 前者将在横向上收缩 而后者则在横向 上膨胀 并于两端留适当的工艺余量 这样既可增加弯曲阻力又可使不参与弯 曲的平直部分受到强有力的约束 其二是增加模具的刚度并进行压弯的瞬间对 薄板施加较大的压力 2 滚弯是毛坯在滚弯轴的作用力和滚轴与板料之间摩擦的联合作用下 产生 塑性弯曲并向前推进的一种成形方法 其原理如图 1 1 所示 3 a 三轴滚弯 b 四轴滚弯 图 1 1 滚弯原理图 简形箱体蒙皮常采用三轴滚弯机滚弯 通过调整滚轴的距离 L 是蒙皮达 到所要求的曲率 三轴滚弯出的零件两端有直线段 其长度等于两个相邻滚轮 之间轴心距的一半 确定零件毛坯的长度时 必须考虑这一工艺余量 各种型 材框缘常采用四轴滚弯机滚弯 只要零件截面形状相同 采用通用四轮滚轴便 可以加工出不同曲率的零件 以四轮滚弯机滚出的零件 理论上应该没有直线 段 但实际上考虑到机床的精度 零件的回弹等因素的影响 毛料也必须留有 工艺余量 3 1 3 国内外研究状况 近年来 压力容器用钢的主攻方向是提高钢的纯净度 即采用各种先进的 冶炼技术 最大限度地降低钢中的有害杂质元素 如硫 磷 氧 氢和氮等的 含量 这些冶金技术的革新 不仅明显地提高了钢的冲击韧性 特别是低温冲 击韧性 抗应变时效性 抗回火脆性 抗中子辐照脆化性和耐蚀性 而且可大 大改善其加工性能 包括焊接性和冷弯性能 比如说加氢反应器的用材 由于 加氢反应器直径逐渐增大 其壁厚度有的已达到 300mm 以上 急需强度更高 的材料 大型设备意味着规格大 器壁厚 重量大以及制造难度大和工作量大 因此制造技术的先进性 高效性显得尤为重要 以前 直至 20 世纪 90 年代末期 我国部分压力容器才开始采用应力分析 设计 应力分析设计起步较晚 而国外早在 20 世纪 70 年代就采用此方法 应 力分析设计方法对压力容器的应力加以分类 按不同的许用值来加以评定 常 规设计方法是建立在第一强度理论之上的设计方法 只考虑单一的最大载荷情 4 况 按一次加载处理 不考虑交变荷载 不计算容器的疲劳寿命 因此选择安 全系数较大 而分析设计方法采用以极限载荷 安定载荷和疲劳寿命为界限的 塑性失效与弹性失效准则 允许结构出现可控制的局部塑性区 允许对峰值应 力部位作有限寿命设计 分析设计方法根据导致结构破环的危险性不同而对应 力进行分类 对各类应力取不同的许用值进行应力评定 取较低的安全系数 但不降低设备的安全可靠性 采用应力分析设计方法 可以搞清应力分布情况 该薄的薄 该厚的厚 可比采用常规设计降低钢材的消耗量约 20 以上 但 设计难度加大 应力分析设计方法对容器板壳的几何尺寸 应力集中 各种缺 陷以及成型过程等都有新的标准要求 这些要求都远远高于原来的普通设计方 法 因此 要实现对容器分析设计方案 则对板壳制造工艺水平要求较高 4 1 4 本文的主要研究内容 本文主要是从塑性成形的基本理论出发 运用塑性力学的分析方法 对钢 板在发生弯曲变形时的应变 应力和回弹量进行系统研究 从而得出相应的数 据以指导工程实际 主要内容如下 1 推导宽板和窄板弯曲时的应力 应变分布规律及其弯矩的计算公式 介绍弯曲的变形特点 分析其失效形式并给出控制失效的措施 2 研究 18 块钢板的冷弯 包括不同的钢板厚度 不同的弯曲半径 不同 的弯曲角度 测量最大表面应变 载荷 位移关系 弹性后效的角度 检测为 预测最大表面应变和弹性后效角度所选定的方程 将方程预测值与实验结果相 比较 找出差异的原因 3 分析高强钢板冲压塑性变形过程中的应力 应变关系 通过对耦几何 与物理非线性为一体的圆板力学分析模型的研究 对球罐壳板冲压成形过程中 板料受力和变形进行分析 运用塑性弯曲理论 分析高强钢球罐壳板冲压塑性 变形机理 针对成形工艺的特点 主要讨论板壳成形过程中的结构性问题 讨 论板料塑性变形板内膜力对应力状态和变形状态的作用以及回弹规律 第 2 章 塑性变形理论 5 2 1 塑性变形的屈服条件 屈服条件是有关金属弹性极限状态的一种假说 设想作用与物体上的外 载荷是逐渐增加的 在其变形的初始阶段 每个微元将处于弹性状态 我们称 上述弹性状态的界线为屈服条件 当微元的应力状态达到该界线时 进一步的 加载就可能使微元产生不可恢复的塑性变形 屈服条件可以用表达式 写出 0 ij f 条件可以表示成三个主应力的函数 2 1 123 0f 或表示成应力张量不变量的函数 2 2 0123 0fI II 2 静水压力不影响材料的塑性性质 这时 屈服极限只与应力偏量有关 故上式可简化为 2 3 123 0f I II 由上述讨论可知 屈服条件是三个变量或两个变量的函数 因此有可能 用几何方法将其形象的表示出来 在主应力空间中 如图 2 1 所示 任意一 个径向矢量可表示为 OP 图 2 1 主应力空间的向量 2 1 1 Tresca 屈服条件 1986 年 Tresca 6 根据库伦在土力学中的研究结果 并从他自己所做的金属 挤压试验中提出以下假设 当最大剪应力达到某一极限值市材料发生屈服 1 k 6 所以该准则又称最大剪应力条件 其表达式为 2 8 max1 k 若规定时 上式可以写成 123 2 9 131 2k 由式 2 6 可知 上式在平面上相当于角从到的范围内与 y 轴向平行的30o 30o 直线段 2 10 131 2 2 2 xkconst 再根据对称性将其开拓后 就得到一个正六边形 7 图 2 2a 在主应力空 间中是六个平面 由它们构成一个正六棱住的柱面 柱面的母线方向与轴线相 平行 2 18 13s 式中 2 2 3v 式中 表示中间主应力对屈服条件的影响 当时 当 2 1v 1 时 值得变化范围为 对于某些特定的应0v 1 155 11 155 力状态 极易确定 例如 单向拉伸 双向拉伸和双向等压时 又 1 如 纯剪切平面应变时 在应力分量未知的情况下 可取平均值1 155 7 1 1 10 2 2 板料成形问题的求解方法 文献中介绍介绍求解塑性变形的方法很多 比较成熟的解法有 切取微体 法 或称主应力法 滑移线法 近似能量法 包括均匀能量法与上限法 半 实验解析法等 但是广泛采用而行之有效的方法主要有以下两种 切取微体法 和塑性材料力学法 11 2 2 1 切取微体法 这是一种以某一板料变形区为研究对象 按应力求解的方法 这种方法以求解变形区主应力的分布规律为目标 然后根据问题的需要 求借应变分布和所需的变形力 其步骤如下 分析变形区的应力应变状态 求解是一主应力作为未知数 1 在板料压制过程中 板料大多数只有一面接触模具 而另一面是自 3 列出变形区任一微体的塑性方程 通过变形时最大主应力的几何 max 特点 将两个未知主应力表示为点的坐标的另一个函数 13 max 11 155 i nn ii KK 2 40 在分析计算时为了简化起见 有时假设材料为理想塑性体 这时应力强度 为一与变形程度无关的常数 塑性方程式为 13 11 155 s 2 41 最后可根据实际情况 对计算结果加以修正 4 联立求解上述两个方程 即可以解出所有的主应力分量 8 图 2 3 板的轴对称变形 该线段的径向应变及切向应变为 2 2 2 塑性材料力学法 塑性材料力学法与主应力法不同 不是以板料的整个变形区作为研究对象 而着眼于变形区中的某一个特定点 通过解析或实验求得此点的应变 再由应 变确定应力 所以这种方法可以避免反复甚至不可解决的数学运算 在生产实 际中便于推广应用 13 实际中有时运用此方法 来分析板料变形时各个部位的 应变状态 这种方法简单步骤如下 1 根据问题的需要 确定研究点的所在的部位 用解析计算法或实验测定 法 求出该点的三个主应变分量 解析计算法 分析变形过程中研究点所在部位的应力应变状态 确定其变形主轴 再由 板料变形前后的几何关系与体积不变条件 分析计算三个主应变分量 1 2 3 试验测定法 在毛料表面做出小圆 变形以后 小圆即变为椭圆 椭圆的长短轴极为两 个主应变的方向 根据长短轴的长度与小圆的原始直径以及体积不变条件 即 可确定毛料在小圆处的三个主应变 1 根据三个主应变确定其应变强度 i 2 根据材料的一般应力应变关系 确定此点的应力强度 ii f i 3 利用板厚方向应力为零的条件 根据应力应变关系 参见 2 29 式 9 2 39 计算板面内的主应力 4 利用静力平衡条件 根据主应力计算变形力 2 3 本章小结 本章首先介绍了几种常见的屈服条件 这也是本文中主要用到的 讨论了 板料成形问题的求解方法 论文中主要用到的求解方法是切取微元法 本章是 求解塑性变形的理论依据 是后续机长变形讨论的基础 10 结 论 1 钢板单曲率弯曲的研究结论 本文给出 18 块厚钢板的冷弯结果 其中包括最大比表面应变 荷载 位 移关系的弹性后效 试验结果表明 对于后 1 5 吋 弯曲度 弯曲半径 1 590o 吋的 HY 80 型钢板 最高的弹性后效测量值为 总的来说弯曲的越厉害 9 0o 冷弯板的弹性后效百分数率越小 另外 试验结果也同各个方程的预测值进行了比较 观察到这一差异 这 是因为 1 这些方程都是基于不适合于本实验的理想化的假设而导出的 2 冷弯过程没有使整个板产生均匀弯曲 为了给剧烈受弯板的性能提供更 好的预测 在以后进一步的理论研究中必须考虑应变硬化以及弯曲板的不均与 弯曲的影响 2 钢板多曲率弯曲的研究结论 在研究钢板多曲率弯曲时 从分析高强钢球罐壳板冲压塑性变形过程中的 应力 应变关系入手 通过对藕几何与物理非线性为一体的圆板力学分析模型 的研究 对球罐壳板冲压成形过程中板料受力和变形进行分析 运用塑性弯曲 理论 分析高强钢球罐壳板冲压塑性变形机理 针对成形工艺的特点 主要讨 论板壳成形过程中的结构性问题 讨论板料塑性变形板内膜力对应力状态和变 形状态的作用以及回弹规律 11 致 谢 本文是在冯晓九教授的精心指导下完成的 在此论文完成与大 学生活结束之际 谨向我的导师致以崇高的敬意和衷心的感谢 感 谢导师在选题 论文研究和撰写论文过程中给与的悉心指导论文的 字里行间无不尽透着老师的心血和智慧 更重要的是 老师渊博的 知识 严谨的治学态度 政治坦荡的为人给我留下了深刻的影响 老师不仅是我学术上的导师 也是我生活中的导师 老师的教诲将 使我终身受益匪浅 此外在论文我的完成过程中还得到了很多老师和同学的帮助 在 此就不一一列举 再次感谢他们的热心帮助 12 参 考 文 献 1 梁炳文 胡世光 板料成形塑性理论 机械工业出版社 1987 年 143 160 2 王仁 黄文彬 黄筑平 塑性力学引论 北京出版社 1992 年 88 92 3 王仲仁 苑世剑 胡连喜 弹性与塑性力学基础 哈尔滨工业大学 1997 年 56 89 4 冯晓九 大瓣片高强钢球罐壳板成形机理及本构关系研究 哈尔滨工程大学 2004 年 20 35 5 张启勋 材料成形工艺 机械工业出版社 2005 年 189 196 6 周述积 侯英玮 茅鹏 材料成形工艺学 机械工业出版社 2005 年 276 284 7 肖景容 姜奎华 冲压工艺学 北京 机械工业出版社 1994 52 55 8 李硕本 冲压工艺学 机械工业出版社 1983 70 73 9 梁炳文 胡世光 板料成形塑性理论 机械工业出版社 1979 327 330 10 汪大年 金属塑性成形原理 机械工业出版社 l993 l80一l8l 11 王孝 培 冲压设计资料 重庆大学 1983 年97 98 12 天津大学材料力学教研室 材料力学 上 下册 1984年 205 209 13 C C Weng R N White Jornal of Structural Engineering Vol 116 No1 1990 14 王先进 冷弯型钢生产及应用冶金工业出版社 1994 256 270 15 冷冲压模具设计手册编写组 冷冲模设计手册 械工业出版社 1 9 8 l 98 100 16 彭建声 冷冲压技术问答 机械 工业出版社 1981 230 235 17 北京模具教材编写组 冷冲模设计与制造技术 北京 机械工业出版社 1 9 8 8 360 370 18 季忠 刘庆斌 吴诗悼 金属薄板的激光弯曲成形技术 激光与光电子学进 展 19